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MODELAGEM NUMÉRICA DE TERRENO
Carlos Alberto Felgueiras
Gilberto Câmara
7.1 DEFINIÇÃO
Um Modelo Numérico de Terreno (MNT) é uma representação
matemática computacional da distribuição de um fenômeno espacial que
ocorre dentro de uma região da superfície terrestre. Dados de relevo,
informação geológicas, levantamentos de profundidades do mar ou de um rio,
informação meteorológicas e dados geofísicos e geoquímicos são exemplos
típicos de fenômenos representados por um MNT.
Dentre alguns usos do MNT pode-se citar:
•
Armazenamento
topográficos;
•
Análises de corte-aterro para projeto de estradas e barragens;
•
Elaboração de mapas de declividade e exposição para apoio a ánalise
de geomorfologia e erodibilidade;
•
Apresentação tridimensional (em combinação com outras variáveis).
de
dados
de
altimetria
para
gerar
mapas
Para a representação de uma superfície real no computador é
indispensável a elaboração e criação de um modelo digital, que pode estar
representado por equações analíticas ou um rede (grade) de pontos, de modo
a transmitir ao usuário as características espaciais do terreno.
A criação de um modelo numérico de terreno corresponde a uma nova
maneira de enfocar o problema da elaboração e implantação de projetos. A
partir dos modelos (grades) pode-se calcular diretamente volumes, áreas,
desenhar perfis e secções transversais, gerar imagens sombreadas ou em níveis
de cinza, gerar mapas de declividade e aspecto, gerar fatiamentos nos
intervalos desejados e perspectivas tridimensionais.
O processo de geração de um modelo numérico de terreno pode ser
dividido em 2 etapas: (a) aquisição das amostras ou amostragem e (b) geração
do modelo propriamente dito ou interpolação. Após a geração do modelo,
pode-se desenvolver diferentes aplicações.
Modelagem Numérica de Terreno
A amostragem compreende a aquisição de um conjunto de amostras
representativas do fenômeno de interesse. Geralmente essas amostras estão
representadas por curvas de isovalores e pontos tridimensionais.
A interpolação envolve a criação de estruturas de dados e a definição de
superfícies de ajuste com o objetivo de se obter uma representação contínua
do fenômeno a partir das amostras. Essas estruturas são definidas de forma a
possibilitar uma manipulação conveniente e eficiente dos modelos pelos
algoritmos de análise contidos no SIG. As estruturas de dados mais utilizadas
são a grade regular e a malha triangular.
As aplicações são procedimentos de análise executados sobre os modelos
digitais. As aplicações podem ser qualitativas, tais como a visualização do
modelo usando-se projeções geométricas planares ou quantitativas tais como
cálculos de volumes e geração de mapas de declividades.
7.2 AMOSTRAGEM
A amostragem compreende a aquisição de um conjunto de amostras que
representam a variação de um fenômeno espacial de interesse. Na definição
de uma amostragem representativa, deve-se considerar a quantidade e
também o posicionamento das amostras em relação ao comportamento do
fenômeno a ser modelado. Uma superamostragem de altimetria numa região
plana significa redundância de informação enquanto que poucos pontos em
uma região de relevo movimentado significa escassez de informações.
As fontes mais comuns de amostras de modelos digitais de terrenos são:
arquivos digitais, importados de outros sistemas, bases topográficas com
isolinhas e pontos notáveis de máximos e mínimos, e levantamentos em
campo transformados, de alguma forma, em informação digitais. Para dados
de altimetria pode-se, por exemplo, realizar-se levantamentos em campo com
o auxilio de GPSs (“Ground Position Systems”). Um conjunto de amostras
pode ainda ser obtido a partir de pares estéreos de imagens de sensoriamento
remoto.
Os dados de modelo numérico de terreno estão representados por
coordenadas 3D (x,y,z). Quanto a posição relativa das amostras pode-se
classificar a amostragem em: regular, semi-regular e irregular. A amostragem
regular é aquela cuja posição espacial (x, y) das amostras mantém uma
regularidade de distribuição. As amostragens semi-regulares são aquelas que
preservam a regularidade de distribuição espacial na direção x ou y mas nunca
nas duas ao mesmo tempo. Amostragem por perfis, por exemplo, apresentam
regularidade em uma direção preestabelecida.
Introdução à Ciência da Geoinformação
7-2
Modelagem Numérica de Terreno
Os métodos de aquisição de dados podem ser: (a) por pontos amostrados
com espaçamento irregular e regular; (b) por mapa de isolinhas. A Figura 7.1
mostra vários tipos diferentes de amostragem por pontos e a Figura 7.2 ilustra
o caso de um mapa de isolinhas.
Amostragem Irregular
Caso de aerolevantamento
A partir da drenagem
Amostragem regular
Figura 7.1 Tipos de amostragem por pontos
Figura 7.2 Exemplo de mapa de isolinhas.
Introdução à Ciência da Geoinformação
7-3
Modelagem Numérica de Terreno
O cuidado na escolha dos pontos e a quantidade de dados amostrados
estão diretamente relacionados com a qualidade do produto final de uma
aplicação sobre o modelo. Para aplicações onde se requer um grau de
realismo maior, a quantidade de pontos amostrados, bem como o cuidado na
escolha desses pontos, ou seja a qualidade dos dados, são decisivos. Quanto
maior a quantidade de pontos representantes da superfície real, maior será o
esforço computacional para que estes sejam armazenados, recuperados,
processados, até que se alcance o produto final da aplicação.
No caso de amostragem por isolinhas, trata-se da representação de uma
superfície por meio de curvas de igual cota, cujo exemplo mais comum são as
isolinhas altimétricas existentes nos mapas topográficos. Nestes mapas as
isolinhas foram impressas com o uso de equipamentos, como stereoplotters,
sobre uma base composta de fotografias em estéreo obtidas por
aerolevantamento. Cabe ainda mencionar que nestes mapas topográficos
existem pontos amostrados irregularmente que foram obtidos por trabalhos
de campo. A aquisição das isolinhas pode ser efetuada por meio de
digitalização manual com uso de uma mesa digitalizadora, ou através de um
processo automático por meio de scanner.
A digitalização manual consiste na operação de identificação de uma
isolinha com um valor de cota e em aquisição pelo operador por um processo
onde segue-se a linha ao longondo mapa. Na digitalização com o uso de
scanner, é obtida uma matriz de pontos onde podem ser identificadas as
isolinhas e os valores de cota. Os processos de vetorização mais comuns
transformam uma isolinha em uma sequência de pontos.
7.3 REDUÇÃO DE AMOSTRAS
A entrada de isolinhas na modelagem numérica, seja pela sensibilidade da
mesa digitalizadora, ou pela resolução do scanner e o algoritmo de conversão,
produz muitas vezes um número excessivo de pontos para representar a
isolinha. O espaçamento ideal entre pontos de uma mesma isolinha deve ser a
distância média entre a isolinha e as isolinhas vizinhas. Este espaçamento ideal
permite gerar triângulos mais equiláteros, que permitem modelar o terreno de
maneira mais eficiente.
Outra fonte de pontos redundantes ocorre quando uma linha não é
digitalizada continuamente, desde de seu início até seu final. Nestes casos, o
primeiro ponto de uma linha pode ser o último da linha anterior, ou estar tão
próximo a ela que pode ser interpretado como se estivesse posicionado na
mesma localização geográfica. O último problema pode ser resolvido com a
comparação entre os valores iniciais e finais das isolinhas. Um dos pontos,
assim duplicados, pode ser removido do conjunto de amostras.
Introdução à Ciência da Geoinformação
7-4
Modelagem Numérica de Terreno
Os pontos em excesso, ao longo de uma linha, podem ser eliminados
utilizando um procedimento de simplificação. O problema de simplificação de
linhas consiste em obter uma representação formada por menos vértices, e
portanto mais compacta de uma isolinha, atendendo a alguma restrição de
aproximação entre as duas representações. Essa restrição é em geral alguma
medida da proximidade geométrica, tais como o máximo deslocamento
perpendicular permitido ou o mínimo deslocamento angular permitido, como
ilustrado na Figura 7.3.
Figura 7.3 Critérios para simplificação de isolinhas.
Um dos procedimentos mais utilizados para simplificação de poligonais
como isolinhas é o procedimento de Douglas-Peucker, que elimina pontos ao
analisar a distância de cada ponto à uma reta que une o primeiro e o último
ponto da linha. Se todos os pontos estão à uma distância menor que uma
dada tolerância, a linha será representada apenas pelos primeiro e último
ponto. Se algum ponto está à uma distância maior, o ponto mais distante da
reta é considerado o último e o algoritmo reinicia calculando as distâncias.
Figura 7.4 Exemplo do algoritmo de Douglas-Poiker.
O valor de tolerância é calculado considerando a escala original dos
dados. Sabe-se que a precisão dos dados disponíveis em mapas é em torno de
0.2 mm. O valor de 0.4 mm de tolerância para eliminação de pontos permite
gerar grades triangulares bem comportadas (procura-se triângulos o mais
equiláteros possível). A distância máxima entre pontos da isolinha é definida a
Introdução à Ciência da Geoinformação
7-5
Modelagem Numérica de Terreno
partir da tolerância do algoritmo de Douglas-Peucker e testes indicaram que o
valor dado por 20 vezes a tolerância pode ser utilizado.
As linhas de drenagem podem ser utilizadas como fontes de informações
adicionais e podem melhorar a qualidade do modelo de terreno. Estas linhas
são representadas por meio de um conjunto de pontos e, da mesma forma que
as isolinhas, devem ser processadas de modo a ter apenas os pontos
necessários para uma boa representação. O mesmo procedimento baseado no
algoritmo de Douglas-Peucker é utilizado, mas com a diferença de não ser
necessário manter uma distância máxima entre pontos.
7.4
ESTRUTURAS DE DADOS PARA MNT
As estruturas de dados modelos digitais de terreno mais utilizados na
prática são os modelos locais : os modelos de grade regular e os modelos de
malha triangular. Pode-se referir a uma malha triangular por meio do
anglicismo TIN, iniciais do termo inglês triangular irregular network.
A grade regular é um modelo digital que aproxima superfícies através de
um poliedro de faces retangulares, como mostrado na Figura 7.5. Os vértices
desses poliedros podem ser os próprios pontos amostrados, caso estes tenham
sido adquiridos nas mesmas localizações xy que definem a grade desejada.
Figura 7.5 Exemplo de grade regular.
O espaçamento da grade, ou seja, a resolução em x ou y, deve ser
idealmente menor ou igual a menor distância entre duas amostras com cotas
diferentes. Ao se gerar uma grade muito fina (densa), com distância entre os
pontos muito pequena, existirá um maior número de informações sobre a
superfície analisada, porém necessitará maior tempo para sua geração. Ao
contrário, considerando distâncias grandes entre os pontos, será criada uma
grade grossa, que poderá acarretar perda de informação. Desta forma para a
resolução final da grade, deve haver um compromisso entre a precisão dos
Introdução à Ciência da Geoinformação
7-6
Modelagem Numérica de Terreno
dados e do tempo de geração da grade. Uma vez definida a resolução e
consequentemente as coordenadas de cada ponto da grade, pode-se aplicar
um dos métodos de interpolação para calcular o valor aproximado da
elevação.
Uma malha triangular é conjunto de poliedros cujas faces são triângulos,
como ilustrado na Figura 7.6. Os vértices do triângulo são geralmente os
pontos amostrados da superfície. Esta modelagem, considerando as arestas
dos triângulos, permite que as informações morfológicas importantes, como
as descontinuidades representadas por feições lineares de relevo (cristas) e
drenagem (vales), sejam consideradas durante a geração da grade triangular,
possibilitando assim, modelar a superfície do terreno preservando as feições
geomórficas da superfície.
Figura 7.6 Exemplo de malha triangular.
7.5 GERAÇÃO DE GRADES REGULARES
O processo de geração de uma grade regular consiste em estimar os
valores de cota de cada ponto da grade a partir do conjunto de amostras de
entrada. Quando se faz uso de todas as amostras para interpolar cada ponto
da grade diz-se que a interpolação é global. Em geral o conjunto de amostras
pode ser muito grande e não homogêneo tornando a interpolação global
pouco apropriada em relação ao tempo de processamento computacional e
precisão do modelo. Por exemplo, para uma grande quantidade de amostras,
fica bastante difícil definir-se uma função polinomial capaz de representar
satisfatoriamente todas as variações espaciais do fenômeno em estudo. Assim
é muito comum utilizar-se interpolação local para o cálculo de cota de cada
elemento da grade. Neste caso, o valor de cota de cada elemento da grade é
estimado a partir de uma quantidade preestabelecida de amostras vizinhas
mais próximas do elemento.
Um modelo de grade regular retangular pode ser gerado a partir de um
conjunto de amostras regularmente espaçadas ou a partir de um conjunto de
Introdução à Ciência da Geoinformação
7-7
Modelagem Numérica de Terreno
amostras irregularmente espaçadas. O processo de geração de uma grade
regular retangular a partir de outra grade também regular retangular,
objetivando uma melhora na resolução da grade, é conhecido como
refinamento da grade e será abordado com mais detalhes a posteriori.
7.5.1 INTERPOLADORES POR MEDIA MÓVEL
A média das cotas das amostras vizinhas, também conhecido como média
móvel, é um dos esquemas de interpolação mais simples para estimação dos
valores de cota dos pontos de uma grade regular retangular. A formulação
geral para este tipo de interpolação é:
n
∑ wij z j
zi =
j =1
n
∑ wij
,
(7.1)
j =1
onde: zi é o valor de cota de um ponto i qualquer da grade, zj é a cota de uma
amostra j vizinha do ponto i da grade e wij é um fator de ponderação. A
Figura 7.7 ilustra o procedimento de estimação.
Figura 7.7 Ilustração do processo de interpolação por média móvel: (a) configuração
original de amostras; (b) grade regular superposta às amostras; (c) interpolação de um
valor a partir dos vizinhos; (d) grade regular resultante
Variações desse esquema básico são os interpoladores: (a) por vizinho
mais próximo; (b) por média simples; (c) por média ponderada; (d) por média
ponderada por quadrante; (e) por média ponderada por quadrante e por cota.
Introdução à Ciência da Geoinformação
7-8
Modelagem Numérica de Terreno
Nos tres primeiros casos, considera-se uma região em torno do ponto a ser
interpolado como contendo os pontos que influenciam na interpolação. A
interpolação por vizinho mais próximo é definida pela escolha de apenas uma
amostra vizinha para cada ponto da grade. Este interpolador deve ser usado
quando se deseja manter os valores de cotas das amostras na grade, sem gerar
valores intermediários. A interpolação por média simples considera o valor de
cota z do elemento da grade igual a média aritmética dos valores de cota das
amostras vizinhas. Neste caso considera-se que o fator de ponderação wij é
igual a 1/n para qualquer amostra considerada. Na interpolação por média
ponderada o valor de cota de cada elemento da grade é definido pela média
ponderada dos valores de cota das amostras vizinhas. A ponderação mais
usada na prática é o inverso da distância euclidiana do ponto da grade à
amostra considerada ou seja:
wij = 1 dijk ,
(7.2)
onde: k é o expoente da distância, geralmente igual a 1 ou 2 e; dij é o valor de
distância da amostra j ao ponto i da grade, expresso por
d ij =
( xi − x j ) 2 + ( yi − y j ) 2
(7.3)
Uma comparação visual entre os resultados dos interpoladores é
mostrada
na
Figura 7.8, para os dados do teor de argila de uma fazenda experimental da
Embrapa.
Introdução à Ciência da Geoinformação
7-9
Modelagem Numérica de Terreno
Figura 7.8 - Comparação entre interpoladores de média móvel, para o mesmo conjunto de
amostras. À direita, vizinho mais próximo; no centro, média simples; à esquerda, inverso do
quadrado da distância.
Introdução à Ciência da Geoinformação
7-10
Modelagem Numérica de Terreno
A interpolação por média ponderada por quadrante inclui, além da
ponderação, uma escolha das posições relativas das amostras que entram na
estimativa do valor de cota da grade. Neste caso a idéia, como apresenta a
Figura 7.9, é dividir o espaço de projeção em quadrantes, tendo como
referência o ponto da grade e considerando uma quantidade fixa de amostras
por quadrante. Assim pode-se utilizar, por exemplo, 1 amostra por quadrante
num total de 4, ou então, 2 amostras por quadrante num total de 8, e assim
por diante. Esta interpolação garante que a estimativa da cota final do ponto
da grade utiliza amostras representativas de cada uma das 4 regiões definidas
pelos quadrantes.
Figura 7.9 Seleção de vizinhos por quadrante.
O interpolador por média ponderada por quadrante e por cota considera,
além da ponderação e dos quadrantes, o valor de cota de cada amostra a ser
usada na estimativa do ponto da grade. Alguns dados amostrais, como curvas
de nível por exemplo, podem apresentar uma quantidade exagerada de
pontos, que tem a mesma cota, para representar uma linha de contorno. O
efeito final deste tipo de amostragem pode ser um modelo cheio de patamares
centrados nessas curvas. Nesse caso é útil aplicar-se uma filtragem por cotas,
uma amostra por cota por exemplo, das amostras que devem ser consideradas
na estimativa final da cota de cada ponto da grade. A Figura 7.10 ilustra essa
idéia.
Figura 7.10 Seleção de vizinhos por quadrante e por cota.
Introdução à Ciência da Geoinformação
7-11
Modelagem Numérica de Terreno
7.5.2 SUPERFÍCIES DE TENDÊNCIA
As superfícies de tendência são interpoladores determinísticos globais. A
superfície é aproximada por um ajuste polinomial aos dados, através de um
processo de regressão múltipla entre os valores do atributo e as localizações
geográficas. Essa função polinomial é então utilizada para estimar os valores
dos pontos em todas as localizações de um grade regular que aproxima a
superfície.
As superfícies de tendência buscam modelar a variação espacial em larga
escala através de uma regressão múltipla entre os valores de atributo e as
localizações geográficas. A suposição implícita nestes interpoladores é que,
para a caracterização do fenômeno em estudo, predomina a variação em larga
escala, e que a variabilidade local não é relevante. São utilizadas função
polinomial na qual o valor do atributo é expresso em função das coordenadas
da superfície, expressas em duas ou tres dimensões. Exemplos incluem
equações lineares do tipo
w = α1 + α 2 x + α 3 y ou w = α1 + α 2 x + α 3 y + α 4 z
(7.4)
e equações quadráticas como
w = α1 + α 2 x + α 3 y + α 4 xy + α 5 x 2 + α 6 y 2 .
(7.5)
O polinômio é ajustado aos dados amostrais minimizando-se o erro
médio quadrático o erro de ajuste global, e permite o cálculo dos valores em
localizações não-amostrais, a partir de suas coordenadas.
A grande vantagem das superfícies de tendência é sua simplicidade e
facilidade de cálculo. No entanto, a suposição implícita do modelo, em
negligenciar a variabilidade local, não é realista para a maior parte dos dados
naturais. Adicionalmente, os parâmetros estimados são muito sensíveis a
valores extremos (outliers). Apesar destes problemas, as superfícies de
tendência são úteis para remover efeitos de primeira ordem, quando a média
varia de forma consistente no espaço. Outros usos importantes são a análise
dos resíduos de estimação; tais resíduos também são bastante informativos,
pois mostram a existência de subregiões que apresentam diferenças
significativas na tendência geral.
Um exemplo típico de superfícies de tendência, é o uso de dados de
longitude, latitude e altitude para estimar a distribuição de temperatura.
Neste caso, o objetivo foi estimar a distribuição de temperatura para o estado
de Santa Catarina, para a época do plantio de soja, em intervalos de 10 dias
(decêndios). Partindo da época recomendada para semeadura e do ciclo de
diferentes cultivares de soja, determinou-se um período de análise
compreendido entre 11/10 e 20/05 (22 decêndios), permitindo que cultivares
Introdução à Ciência da Geoinformação
7-12
Modelagem Numérica de Terreno
com ciclos diferentes, semeadas dentro da época recomendada, tivessem todo
o seu ciclo avaliado neste estudo.
Foram coletados dados de temperatura média diária e precipitação diária
de 27 estações meteorológicas monitoradas pela Empresa de Pesquisa
Agropecuária e Extensão Rural de Santa Catarina S. A. – Epagri, com uma
série histórica de aproximadamente cinco anos, mostrados na Figura 7.11. A
partir dos dados diários, foi calculada a média decendial. Esta média das 27
estações foi utilizada no cálculo de superfícies de tendência a partir de uma
equação do tipo
t ( x, y) = α1x+ α 2 y + α 3 z + α 4
(7.6)
onde t(x,y)é a temperatura calculada a partir da longitude (x), latitude
(y) e altitude (z). Para o primeiro decêndio (11/10 a 20/10), os resultados
estão mostrados na Tabela 3.1. Aa análise dos coeficiente da regressão é
mostrada na Tabela 7.1,
Figura 7.11 Distribuição espacial das estações monitoradas pela Epagri.
Tabela 7.1
Coeficientes para Estimativa de Temperatura em Santa Catarina
(Decêndio de 11/10 a 20/10)
Valor
Intercepto
Latitude
Longitude
Altitude
Teste F
Teste T
p-valor
Comentários
9,475
7,169
-0,447
0,169
-2,637
(idem)
0,466
0,085
5,488
(idem)
-0,005
0,000
-16,162
(idem)
R2 ajustado
0,909
Teste de Normalidade dos resíduos
0,925
Introdução à Ciência da Geoinformação
Significativo
0,629 Aceito H0
7-13
Modelagem Numérica de Terreno
Como indicado na Tabela 7.1, A relação entre as variáveis independentes
com a variável dependente (temperatura média decendial) foi verificada,
inicialmente, pelo teste “F” e, depois, pelo teste “t” de Student. Esta análise
indicou todos os coeficientes como significativos. A normalidade dos resíduos
foi avaliada pelo teste de Keifer-Salmon, e aceita a hipótese.
7.5.3 REFINAMENTO DE GRADE REGULAR
O termo “refinamento” denota o processo de aumento de resolução de
uma grade regular. Quando as amostras já estão no formato de grade regular
o trabalho de geração de uma nova grade é bastante simplificado pelo fato de
existir um relacionamento topológico preestabelecido entre as amostras. A
Figura 7.12 esquematiza uma forma de cálculo do valor de cota de um novo
ponto, utilizando uma interpolação bilinear. A partir das cotas dos pontos da
célula da grade que contem o ponto P, pode-se estimar o novo valor de cota
com uma interpolação linear, a partir de um polinômio da forma
z ( x, y ) = α o + α1x + α 2 y + α 3 xy ,
(7.7)
que é definido em cada célula e calculado a partir dos seus quatro pontos. O
resultado é uma superfície cuja primeira derivada é descontínua; isto implica
em transições bruscas entre as células da grade resultante.
P
Figura 7.12 - Estimação da cota do ponto P com interpolação bilinear.
Para obter uma grade refinada com continuidade da primeira derivada
(isto é, com bordas suaves) é necessário o uso de uma função de maior ordem,
como o interpolador bicúbico:
z(x, y) = α00 +α10x + α01y + α 20x2 + α11xy + α02 y 2 + α21x 2 y + α12xy2 + α 22x2 y 2
+ α30x3 + α03 y3 +α31x3 y + α13xy3 + α32x3 y 2 + α23x 2 y3 .
Introdução à Ciência da Geoinformação
(7.8)
7-14
Modelagem Numérica de Terreno
Este interpolador é o polinômio de menor ordem que garante a
continuidade tanto da função quanto de sua primeira derivada nas bordas das
células. Para este cálculo, são necessários 16 pontos de grade para derivar os
coeficientes. Vários experimentos tem mostrado o melhor desempenho do
interpolador bicúbico com relação às tecnicas lineares. Para um
comportamento ainda mais suave da superfície interpolada, deve-se usar um
interpolador do 50 grau (chamado de interpolador quíntico), cuja equação é:
z ( x, y ) =
5 5−i
∑ ∑ xi y j
(7.9)
i = 0 j =0
Esta função modela uma superfície suave, isto é, a normal à superfície é
continua e não há mudanças abruptas nas transições entre as células. Note-se,
no entanto, que tais funções são extremamente sensíveis a valores extremos
(outliers) e só devem aplicadas em caso de grande densidade de amostras.
7.6 GERAÇÃO DE MALHA TRIANGULAR
Uma grade irregular triangular é um poliedro de faces triangulares. Em
um modelo de grade irregular triangular os pontos amostras são conectados
por linhas para formar triângulos. Assim, diferentemente da geração de grade
regular, os valores de cota dos vértices dos elementos triangulares da malha
triangular não precisam ser estimados por interpolações. É muito simples
mostrar que, dado um conjunto de amostras com cardinalidade maior do que
4, podemos construir mais de uma malha triangular sobre esse conjuntos. Na
figura abaixo temos duas triangulações diferentes criadas sobre o mesmo
conjunto de 4 amostras.
7.6.1 A TRIANGULAÇÃO DE DELAUNAY
Adotando-se critérios específicos para construção da rede triangular
pode-se chegar a malhas únicas sobre o mesmo conjunto de amostras. Uma
dessas malhas, muito utilizada na prática nos SIGs atualmente em uso
profissional ou científico, é a malha de Delaunay, mais conhecida como
triangulação de Delaunay. O critério utilizado na triangulação de Delaunay é
o de maximização dos ângulos mínimos de cada triângulo. Isto é equivalente a
dizer que, a malha final, deve conter triângulos o mais próximo de equiláteros
possível evitando-se a criação de triângulos afinados, ou seja, triângulos com
ângulos internos muito agudos. Uma forma equivalente de se implementar a
triangulação de Delaunay utiliza o critério do circumcírculo. Esse critério,
esquematizado na figura abaixo, diz que uma triangulação é de Delaunay se:
O círculo que passa pelos três vértices de cada triângulo da malha triangular
Introdução à Ciência da Geoinformação
7-15
Modelagem Numérica de Terreno
não contém, no seu interior, nenhum ponto do conjunto das amostras além
dos vértices do triângulo em questão.
Figura 7.10 - Critério do circumcírculo para geração de triangulações de
Delaunay: (a) T1 e T2 são triângulos de Delaunay e (b) T1 e T2 não são
triângulos de Delaunay
Existem vários métodos de implementação da triangulação de Delaunay.
Esses métodos podem ser classificados em dois tipos básicos: algoritmo de
passo único e algoritmo de dois passos. Os algoritmos de passo único criam a
triangulação de Delaunay num único etapa, aplicando o critério de Delaunay
durante a construção da triangulação. Os métodos de dois passos geram uma
triangulação inicial qualquer e numa segunda etapa transformam-na numa
triangulação de Delaunay.
7.6.2 INCLUSÃO DE RESTRIÇÕES NO MODELO
Na construção de um modelo é muito importante que as características
topográficas da superfície sejam preservadas. Assim é interessante que o
conjunto de amostras de entrada contenha as linhas características da
superfície tais como: linhas divisoras de águas (linhas de máximos) e linhas de
drenagem (linhas de mínimos). O estrutura do modelo de grade triangular é
mais propícia para a inclusão de linhas características no modelo.
Uma triangulação de Delaunay com restrições é uma triangulação que
deve considerar primeiro as características topográficas da superfície e depois
o critério do circumcírculo de Delaunay, conforme Felgueiras (1995).
Uma método para se gerar uma triangulação de Delaunay com
restrições pode: criar uma triangulação de Delaunay pura e depois
transformar essa triangulação considerando as linhas características do
Introdução à Ciência da Geoinformação
7-16
Modelagem Numérica de Terreno
modelo. As figuras abaixo mostram a transformação de dois triângulos de
Delaunay, T1 e T2, para triângulos que não são de Delaunay. Na primeira
figura a mudança se faz necessária a fim de evitar a criação de patamares, ou
seja, triângulos cujos vértices são todos da mesma isolinha. Na segunda a
mudança garante a manutenção das características topográficas da superfície.
Figura 7.11 - Evitando problema de criação de patamares: (a) Triangulação
de Delaunay e (b) Triangulação com restrição
Figura 7.12 - Transformação da triangulação de Delaunay, de (a) para (b),
para manter as características topográficas da superfície
Introdução à Ciência da Geoinformação
7-17
Modelagem Numérica de Terreno
7.6.3 SUPERFÍCIES DE AJUSTE PARA GRADES IRREGULARES
7.6.3.1 Ajuste Linear
Considerando-se um comportamento linear dentro de cada triângulo
pode-se estimar, com facilidade, o valor de qualquer ponto da superfície
definida pela malha triangular. O esforço computacional, neste caso, é
mínimo. Os três pontos dos vértices de cada triângulo definem um plano no
espaço tridimensional. A equação do plano:
Ax + By + Cz + D = 0
pode ser determinada pelas coordenadas e atributos dos vértices de
um triângulo de interesse. Dessa forma, para qualquer ponto a ser estimado
deve-se buscar o triângulo que o contém e, através de uma álgebra simples de
solução de sistemas lineares, obtém-se facilmente o valor de cota desse ponto.
Este ajuste é conhecido como ajuste linear sobre a malha triangular. O ajuste
linear garante continuidade entre as superfícies de triângulos vizinhos mas
não garante uma suavidade na transição entre as superfícies.
7.6.3.2 Ajuste Quíntico
Outro modelo mais complexo, proposto por Akima em 1978, sugere o
ajuste de uma superfície polinomial de quinta ordem incompleta para cada
triângulo da malha triangular:
5
5−i
z(x, y ) = ∑ ∑ q x y
i = 0 j= 0
i
j
ij
Esse polinômio de quinta ordem incompleto possui 21 coeficientes a ser
determinado para definição de uma superfície quíntica sobre o triângulo. Os
21 coeficientes são obtidos considerando-se: os valor de cota em cada vértice
do triângulo (3 valores); as derivadas parciais de primeira ordem nas direções
x (3 valores) e y (3 valores) e; as derivadas parciais de segunda ordem nas
direções x (3 valores), y (3 valores) e xy (3 valores). Akima sugere considerarse as derivadas parciais de segunda ordem na direção xy igual as da direção
yx. As três ultimas condições são obtidas a partir das derivadas parciais nas
direções perpendiculares de cada aresta dos vizinhos do triângulo.
7.6.3.3 Ajuste Estocástico
Fournier (1982) descreve uma metodologia de ajuste de superfícies por
interpoladores estocásticos válida para modelos de grade triangular. A idéia
principal contida nesse método estocástico é simular a natureza fractal das
informações de presentes em fenômenos geográficos como o relevo,
Goodchild (1987).
Introdução à Ciência da Geoinformação
7-18
Modelagem Numérica de Terreno
7.7 GRADE RETANGULAR X GRADE TRIANGULAR
7.7.1 GRADE RETANGULAR A PARTIR DE GRADE TRIANGULAR
A partir de um modelo de grade triangular é possível criar-se um
modelo de grade retangular. Para isto, inicialmente é necessária a definição
dos parâmetros que definem a grade regular, ou seja, referência geográfica,
resoluções espacial e tamanho da grade em número de linhas e colunas. A
partir dessa definição deve-se calcular o valor de cota de cada elemento da
grade. Esse valor é obtido encontrando-se o triângulo que contém o ponto da
grade regular. Utilizando-se os valores de cota dos vértices desse triângulo e,
opcionalmente, dos vértices de seus triângulos vizinhos pode-se estimar o
valor de cota do ponto da grade regular. Essa estimativa pode usar uma
interpolação linear ou uma interpolação polinomial de grau maior do que 1.
Usando-se apenas os 3 vértices de um triângulo pode-se definir o plano que
passa por esses 3 pontos. Dessa forma pode-se estimar o valor de cota de
qualquer ponto interno a um triângulo do modelo irregular. Para se ajustar
superfícies não lineares para cada triângulo deve-se utilizar os vértices do
triângulo e dos seus vizinhos. Quando um ponto da grade regular não está
localizado dentro de nenhum triângulo então pode-se marcá-lo como “sem
valor”. A transformação de um modelo de grade triangular em retangular é
útil quando se quer visualizar o modelo em projeção planar a partir de uma
grade regular e o único modelo que se dispõe é o de grade triangular. O
processo de visualização do MDT em projeção planar fornece um resultado
mais realista quando se usa o modelo de grade regular ao invés da grade
irregular.
7.7.2 GRADE TRIANGULAR A PARTIR DE GRADE RETANGULAR
Muitas vezes o usuário já tem um modelo de grade regular que foi
gerado anteriormente ou importado de outro sistema. A partir desse modelo
de grade regular, pode-se aplicar um método de redução de amostras sobre a
grade criando-se um conjunto de amostras irregularmente espaçadas. Essas
amostras são então utilizadas na geração do modelo de grade triangular. A
transformação de grade retangular para grade triangular pode ser necessário
caso existam algoritmos de análise no SIG que só trabalham sobre grades
triangulares. Um exemplo típico acontece quando o SIG só consegue extrair
linhas de contornos de grades triangulares.
Introdução à Ciência da Geoinformação
7-19
Modelagem Numérica de Terreno
7.7.3 COMPARAÇÃO ENTRE OS MODELOS DE GRADE
A tabela abaixo apresenta as principais diferenças entre os modelos
de grade retangular e de grade irregular triangular.
Grade Regular Retangular
Grade Irregular Triangular
Apresenta regularidade na distribuição Não apresenta regularidade na distribuição
espacial dos vértices das células do modelo espacial dos vértices das células do modelo
Os vértices dos retângulos são estimados a Os vértices dos triângulos pertencem ao
partir das amostras
conjunto amostral
Apresenta problemas para representar Representa
superfícies com variações locais acentuadas homogêneas
acentuadas
Estrutura de dados mais simples
melhor
com
superfícies
não
variações
locais
Estrutura de dados mais complexa
Relações topológicas entre os retângulos são É necessário identificar e armazenar as
explicitas
relações topológicas entre os triângulos
Mais utilizado em aplicações qualitativas e Mais utilizado em aplicações quantitativas.
para análises multiníveis no formato
“raster”
Tabela 7.1 - Comparação entre os modelos de grade retangular e
triangular.
Introdução à Ciência da Geoinformação
7-20
Modelagem Numérica de Terreno
7.8 ANÁLISES SOBRE MODELOS DIGITAIS DE TERRENO
7.8.1 INTRODUÇÃO
Como já descrito anteriormente, as amostras são processadas de forma
a criar modelos digitais que vão representar a variabilidade do fenômeno
nessa região. Os modelos digitais são utilizados por uma série de
procedimentos de análises úteis para aplicações de geoprocessamento. A
utilização dos modelos digitais, pelas análises, possibilita o estudo de um
determinado fenômeno sem a necessidade de se trabalhar diretamente na
região geográfica escolhida. As análises podem ser qualitativas ou
quantitativas e são importantes para fins de simulações e tomadas de decisão
no contexto de desenvolvimento de aplicações, ou modelagens, de
geoprocessamento que utilizam SIGs.
As análises desenvolvidas sobre um modelo digital de terreno
permitem: visualizar o modelos em projeção geométrica planar; gerar
imagens de nível de cinza, imagens sombreadas e imagens temáticas; calcular
volumes de aterro e corte; realizar análises de perfis sobre trajetórias
predeterminadas e; gerar mapeamentos derivados tais como mapas de
declividade e exposição, mapas de drenagem, mapas de curva de nível e
mapas de visibilidade. Os produtos das análises podem, ainda, serem
integrados com outros tipos de dados geográficos objetivando o
desenvolvimento de diversas aplicações de geoprocessamento, tais como,
planejamento urbano e rural, análises de aptidão agrícola, determinação de
áreas de riscos, geração de relatórios de impacto ambiental e outros.
Esta seção apresenta uma visão geral dos processamentos de análises
que podem fazer parte de um sistema de modelagem digital de terreno
desenvolvido no ambiente de um SIG. O objetivo é descrever os
procedimentos de análises que mais comumente são realizados sobre os
modelos digitais de terreno. O texto inclui: aspectos teóricos e alguns
detalhes de implementação computacional de cada procedimento de análise,
exemplos de aplicação e ilustrações.
Introdução à Ciência da Geoinformação
7-21
Modelagem Numérica de Terreno
7.8.2 GERAÇÃO DE IMAGENS DE MDTS
A partir de um MDT pode-se criar imagens em níveis de cinza e imagens
sombreadas. Na sequência apresentam-se mais detalhes sobre estas análises.
7.8.2.1 Imagem MDT em níveis de cinza
Essa imagem é gerada diretamente do mapeamento dos valores de cota
do modelo para valores de nível de cinza. Supondo-se que cada pixel da
imagem de nível de cinza é representada por 8 bits pode-se mapear os valores
de cota para valores de nível de cinza de 0 a 255. A figura abaixo ilustra o
mapeamento de um valor de cota Zi para um valor de nível de cinza NCi;
Zma
Zi
Zmi
255
NCi
1
Modelo
Imagem
Figura 7.13 - Mapeamento
dos valores de cota para níveis
de cinza
Considerando-se um mapeamento linear dos valores de cota do
modelo para valores de níveis de cinza, quantização linear, pode-se calcular o
valor NCi em função de Zi pelo seguinte equacionamento:
NCi = {[(Zi – Zmin)*254] / (Zmax – Zmin)} + 1
Esse equacionamento mapeia os valores de cota do fenômeno
representado para valores de 1 a 255 da imagem. O valor de nível de cinza
igual a 0 é usado em áreas onde não existe definição do valor de cota para o
modelo.
A figura abaixo mostra uma imagem em nível de cinza obtida a partir de
um modelo digital de terreno. Essa imagem é muito útil para se obter uma
percepção qualitativa global da variação do fenômeno representado pelo
modelo digital de terreno.
Introdução à Ciência da Geoinformação
7-22
Modelagem Numérica de Terreno
Figura7.14 - Modelo de grade regular representado como uma imagem
em níveis de cinza
7.8.2.2 Imagem de MDT sombreada
Uma imagem de MDT sombreada é gerada a partir do modelo e do
posicionamento, em relação à superfície, de uma fonte de iluminação local.
Assim, para cada ponto do modelo pode-se definir um vetor normal a
superfície N e um vetor de iluminação I que parte do ponto da superfície e
aponta para a fonte de iluminação. A partir desses dois valores pode-se
calcular um valor de intensidade de iluminação utilizando-se, por exemplo, o
seguinte modelo de iluminação de reflexão difusa:
NCi = Ia + Il*Kd*( Ni.Li ) = Ia + Il*Kd*cos θ
Esse modelo estabelece que o nível de cinza da imagem sombreada NCi,
na posição i da superfície, é igual a uma intensidade constante de iluminação
ambiente Ia somado a uma componente de iluminação local. Essa componente
local depende da intensidade da fonte luminosa Il , de uma constante de
reflexão difusa Kd e do angulo θ formado entre o vetor unitário normal N e o
vetor unitário de iluminação I na posição i da superfície. A figura abaixo
ilustra esses conceitos.
Introdução à Ciência da Geoinformação
7-23
Modelagem Numérica de Terreno
Figura 7.15 - Componentes do modelo de iluminação de uma superfície por
reflexão difusa
O modelo de reflexão difusa, ou modelo lambertiano, é um dos mais simples
de ser implementar computacionalmente. Outros modelos mais complexos
podem ser utilizados quando se deseja um efeito de sombreamento mais
realista.A imagem sombreada é muito útil como imagem de textura para
compor uma projeção geométrica planar utilizando-se o modelo digital de
terreno. A figura abaixo mostra uma imagem sombreada gerada a partir de
um modelo numérico de terreno.
Figura 7.16- Modelo de grade regular representado como uma imagem
sombreada.
Introdução à Ciência da Geoinformação
7-24
Modelagem Numérica de Terreno
7.8.3 VISUALIZAÇÃO DO MODELO EM PROJEÇÃO PLANAR
O modelo gerado pode ser visualizado em projeção geométrica planar
com ou sem informação de textura.
O modelo de grade regular retangular é mais apropriado para efeitos de
visualização do modelo em projeção planar. Os tipos de projeção planar mais
utilizados são os de projeção paralela e os de projeção perspectiva. Na
projeção geométrica planar paralela é necessário definir-se a direção de
projeção, azimute e elevação. Pode-se também definir um fator de exagero
vertical que será multiplicado pelos valores de cota do terreno para realçar ou
amenizar as áreas não homogêneas da superfície. Para projeção perspectiva
deve-se definir ainda um centro de projeção que define o ponto de partida, ou
de chegada, dos raios de projeção perspectiva. A figura abaixo mostra como
um segmento AB, definido no espaço 3D, é projetado num plano de projeção
segundo os esquemas de projeção paralela e perspectiva.
PLANO DE
DIREÇÃO
DE
PROJEÇÃO
PROJEÇÃO
PLANO DE
A
CENTRO
DE
PROJEÇÃO
A’
PROJEÇÃO
A’
B
B
B’
B’
(a)
(b)
Figura 7.17 - Esquemas de projeção: (a) paralela e (b) perspectiva
7.8.4
VISUALIZAÇÃO DO MODELO SEM INCLUSÃO DE TEXTURA
Para se visualizar o modelo de grade retangular em projeção geométrica
planar sem inclusão de textura deve-se considerar que os pontos da grade
estão conectados com os seus vizinhos por segmentos de reta. Esses segmentos
são projetados em um plano utilizando as equações de projeção paralela ou
perspectiva. Além do cálculo dos valores projetados, o algoritmo de projeção
geométrica planar deve conter um processamento de escondimento de linhas
não visíveis que depende do tipo e da direção de projeção e da posição do
observador em relação à superfície quando a projeção é perspectiva. A figura
abaixo mostra o resultado da projeção planar de um MDT retangular.
Introdução à Ciência da Geoinformação
A
7-25
Modelagem Numérica de Terreno
7.8.5 VISUALIZAÇÃO DO MODELO COM INCLUSÃO DE TEXTURA
O modelo digital de terreno pode ser integrado com uma imagem no
processo de projeção perspectiva planar. Em geral, a visualização do modelo
projetado num plano, com inclusão de textura, é realizada através de técnicas
de projeção planar conhecidas como “ray-tracing”. Esta técnica baseia-se no
acompanhamento do traçado do raio desde o centro de projeção até ele
alcançar elementos da superfície a ser projetada. Nesta técnica pode-se incluir
efeitos de reflexão, difusa e especular, e de refração dos raios sobre os
elementos da superfície. A figura abaixo ilustra o traçado de um raio que
parte de um centro de projeção, passa por um ponto do plano de projeção e
alcança diversos elementos pertencentes ao objetos de uma cena. No caso de
modelo de grade esses elementos são triângulos ou retângulos que definem o
modelo da superfície.
Plano
de
Fonte
de luz
Centro de
Projeção
Figura 7.18 - Ilustração da técnica de “ray-tracing”
Na projeção de modelos utiliza-se a técnica de “ray-tracing” com
textura externa. Neste processo o modelo é responsável pela definição da
geometria da superfície projetada enquanto que a imagem é usada como dado
de textura. A imagem de textura pode ser uma imagem de sensoriamento
remoto, de satélite ou de aerolevantamento por exemplo, ou ima imagem
artificial como a imagem sombreada gerada sobre o próprio modelo que esta
sendo projetado no plano. Através da técnica de “ray-tracing” com textura
externa é possível sintetizar figuras muito parecidas com a realidade de uma
cena. A figura a seguir mostra a projeção geométrica planar de um modelo
com uma imagem sombreada dessa superfície.
Introdução à Ciência da Geoinformação
7-26
Modelagem Numérica de Terreno
Figura 7.19 -Visualização do modelo em projeção planar com textura de uma
composição colorida de 3 bandas de uma imagem LANDSAT
7.8.6 GERAÇÃO DE MAPAS DE CONTORNO
Linhas de contorno são curvas que conectam pontos da superfície com
mesmo valor de elevação. As linhas de contorno podem ser determinadas a
partir de interseções da superfície com planos horizontais. A projeção dessas
interseções, no plano xy, definem as curvas de contorno. Partindo-se do
pressuposto que a superfície representada é uma função matemática definida
no espaço xy então as linhas de contorno tem a propriedade de nunca se
cruzarem.
As linhas de contornos são obtidas a partir de intercessões com as arestas
dos elementos básicos, triângulo ou retângulo, do modelo. A figura abaixo
ilustra o processo de obtenção de uma linha de contorno a partir do modelo.
Existem, basicamente, 2 métodos de geração de mapas de contornos a partir
do modelo de grade: o método seguidor de linhas e o método de segmentos.
Introdução à Ciência da Geoinformação
7-27
Modelagem Numérica de Terreno
Figura 7.20 -Geração de uma curva de contorno a partir de um modelo de
grade (a) retangular e (b) triangular
O método seguidor de linhas é um método que gera cada linha de
contorno em um único passo. Por esse método procura-se um segmento que
pertence a uma curva de contorno. Os pontos extremos desse segmento são
definidos como extremos da linha de contorno. Em seguida busca-se os
outros segmentos que tem ligações com essas extremidades. Os novos
segmentos encontrados são incorporados a linha e definem as novas
extremidades. O processo pára quando as extremidades se encontram,
definindo uma curva de nível fechada, ou quando as duas extremidades já
encontraram as bordas da região de interesse.
O método de segmentos cria as curvas de nível em duas etapas. Na
primeira etapa determinam-se todos os segmentos pertencentes a uma valor
de cota predeterminado. Numa Segunda etapa é necessário conectar esses
segmentos a fim de se definir as curvas de nível que pertencem ao valor de
cota preestabelecido.
Introdução à Ciência da Geoinformação
7-28
Modelagem Numérica de Terreno
Esses processos de geração de mapa de contornos é automático e
necessita apenas da definição do modelo e das curvas a serem geradas. Essas
curvas podem ser definidas individualmente ou com espaçamento constante.
7.8.7 GERAÇÃO DE MAPAS DE DECLIVIDADE E EXPOSIÇÃO
A declividade em uma posição da superfície é definida por um plano
tangente a aquela posição da superfície modelada pelo MDT. A declividade é
composta por duas componentes: o gradiente, as vezes também chamado de
declividade, que é a máxima razão de variação de cota z e; a exposição que é a
direção dessa máxima razão de variação de cota. Neste texto usar-se-á os
termos declividade e exposição para essas componentes. A declividade pode
ser expressa em graus (0 a 90) ou em porcentagem enquanto que a exposição
é expressa em graus (0 a 360). As formulações gerais para o cálculo da
declividade D e exposição E são dadas a seguir.
D = arctg {[( δZ/δX )2+( δZ/δY )2]1/2}
E = arctg [-( δZ/δY )/ ( δZ/δX )]
( -Π< E < Π )
Onde δZ/δX e δZ/δY, derivadas parciais nas direções X e Y, são as
componentes do vetor gradiente em uma dada posição. Segundo Burrough,
1986, quando a superfície está sendo representada por um modelo de grade
regular retangular o melhor estimador das componentes do vetor gradiente,
em uma posição i,j do modelo, é avaliado por:
[δZ/δX]i,j = [( Zi+1,j+1 + 2*Zi+1,j + Zi+1,j-1 ) –
( Zi-1,j+1 + 2*Zi-1,j + Zi-1,j-1 )]/8*δX
[δZ/δY]i,j = [( Zi+1,j+1 + 2*Zi,j+1 + Zi-1,j+1 ) –
( Zi+1,j+1 + 2*Zi,j-1 + Zi-1,j-1 )]/8*δY
onde os elementos Z estão distribuídos segundo uma vizinhança 8 como
mostrado na figura abaixo.
Z i-1,j+1
Z i,j+1
Z i+1,j+1
Z i-1,j
Z i,j
Z i-1,j
Z i-1,j-1
Z i,j-1
Z i+1,j-1
Figura 7.21 - Distribuição dos elementos de uma grade numa
vizinhança 8.
Introdução à Ciência da Geoinformação
7-29
Modelagem Numérica de Terreno
Quando a superfície está representada por um modelo de grade
triangular deve-se calcular as componentes δZ/δX e δZ/δY a partir da
superfície de ajuste utilizada para representar o comportamento do fenômeno
dentro do triângulo que contém o ponto definido na posição i,j. Por exemplo,
utilizando-se um ajuste linear para cada triângulo pode-se facilmente obter as
derivadas parciais δZ/δX e δZ/δY diretamente da equação do plano que passa
pelos vértices do triângulo. (Completar com equações )
7.8.8 FATIAMENTO DO MODELO
O fatiamento de um modelo consiste em se definir intervalos, ou fatias,
de cotas com a finalidade de se gerar uma imagem temática a partir do
modelo. Assim, cada tema, ou classe, da imagem temática é associado a um
intervalo de cotas dentro dos valores atribuídos ao fenômeno modelado. O
usuário do GIS é responsável pela definição das fatias e também da associação
dessas fatias com classes predefinidas no sistema. As fatias são definidas de
acordo com intervalos de cotas que são úteis para uma determinada aplicação.
A figura abaixo ilustra o processo de fatiamento do modelo.
Zf
Zj
Zi
Cj
Ci
Z
Z
C0
Figura 7.22 - Ilustração do processo de fatiamento do MDT
MODELO
IMAGEM
DIGITAL
TEMÁTICA
Da figura acima temos que a classe C0 está associada ao intervalo de cotas
entre Z0 e Z1, a classe Zi está associada ao intervalo de cotas entre Zi e Zj, e
assim por diante. Os valores de cota Z0 e Zf representam os extremos desse
Introdução à Ciência da Geoinformação
7-30
Modelagem Numérica de Terreno
modelo. Quando um intervalo de cota não for associado a nenhuma classe
deve-se atribuir o valor de nível de cinza 0 para os pixels da imagem que
representam valores de cota nesse intervalo.
A imagem temática gerada pelo fatiamento do modelo é frequentemente
usada em análises espaciais como operações lógicas de interseção e união. A
figura abaixo mostra uma imagem temática criada a partir de um modelo
digital de terreno.
Figura 7.23 - Imagem temática gerada a partir do fatiamento de um modelo
digital de terreno.
7.8.9 ANÁLISE DE PERFIS
A partir de um modelo de grade regular ou irregular pode-se criar
gráficos de perfis do fenômeno ao longo de uma trajetória. Um gráfico de
perfil representa a variação do fenômeno estudado em função da distância
planar percorrida numa trajetória predefinida. Os pontos do perfil são
determinados pela intersecção da trajetória com as arestas do modelo digital
de terreno. Num mesmo gráfico é possível traçar mais de 1 perfil para poder
Introdução à Ciência da Geoinformação
7-31
Modelagem Numérica de Terreno
compará-los. Este tipo de análise sobre o modelo pode ser útil na
determinação das melhores trajetórias para a construção de uma estrada por
exemplo. Neste caso pode-se estabelecer mais de uma trajetória e analisar os
respectivos perfis em termos de distancias percorridas, variação máxima de
cota, inclinações máxima e mínima, etc... Outra aplicação interessante é a
determinação de uma distribuição ótima de antenas de transmissão, e ou
recepção, de sinais de telecomunicação no sentido de garantir visibilidade
entre antenas mais próximas e atender o máximo de usuários com o mínimo
de antenas. No contexto de um SIG interativo pode-se utilizar, como
“background” , qualquer tipo de dado armazenado na base de dados para
apoiar a definição das possíveis trajetórias. A figura abaixo ilustra a criação de
2 perfis a partir de 2 trajetórias.
Z
(a)
(b)
Perfil 1
Perfil 2
Dist
(c) (c) utilizando modelos de grade
Figura 7.24 - Ilustração da geração de perfis
(a) regular e (b) irregular.
Introdução à Ciência da Geoinformação
7-32
Modelagem Numérica de Terreno
7.8.10 ANÁLISE DE VISIBILIDADE
A análise de visibilidade compreende a criação de um mapa de áreas
visíveis em relação à uma ou mais posições do terreno. Esta análise exige que
o usuário forneça o modelo a ser usado e determine as posições no terreno. A
partir desses dados o aplicativo é capaz de gerar perfis entre qualquer ponto
do terreno e as posições predefinidas. Sobre cada perfil o aplicativo faz uma
análise de visibilidade verificando se a linha que une os dois extremos do
perfil corta alguma linha do perfil. Caso o perfil não seja cortado então o
ponto do terreno é visível em relação a essa posição. Caso contrário o ponto é
marcado como não visível. A figura abaixo ilustra a análise de visibilidade
entre os extremos de um perfil do terreno.
Z
Z
Di
(a
Di
(
Figura 7.25 - Análise de visibilidade entre extremos de um perfil: (a)
extremos não visíveis e (b) extremos visíveis.
Esse tipo de análise tem aplicações interessantes na área de
telecomunicações. Pode-se, por exemplo, definir-se áreas de visibilidade para
fins de telefonia celular. Nessa aplicação é importante o estudo das áreas de
influência de uma ou mais antenas e áreas de superposição entre 2 ou mais
antenas. Melhorias nesse tipo de aplicação pode incluir a altura da antena, a
potência de transmissão/recepção que define um raio máximo de influencia e
a confecção de um relatório com dados de áreas atendidas, áreas de
superposição e áreas não atendidas.
O mapa de visibilidade pode ser representado por uma imagem binária
onde os pontos não visíveis são codificados com valor 0 e os pontos visíveis
são codificados com o valor máximo permitido pela imagem que é 255 para
uma imagem de 8 bits.
A figura abaixo mostra em (b) um mapa de áreas visíveis, em
branco, a partir do ponto marcado com + na imagem em níveis de
cinza (a) de um modelo digital de terreno.
Introdução à Ciência da Geoinformação
7-33
Modelagem Numérica de Terreno
(a)
(b)
Figura 7.26 - Ilustração da análise de visibilidade: (a) imagem em nível
de cinza do modelo e (b) mapa de áreas visíveis.
7.8.11 CÁLCULO DE VOLUMES
A partir de um modelo digital de terreno é possível se calcular volumes
dentro de uma região do espaço predeterminada. Delimitando-se de uma
área, dentro de uma região de interesse, e definindo-se um plano horizontal
de corte Z = Zb , onde Zb é cota de referência ou cota base, é possível
calcular-se o volume de corte e o volume de aterro referentes a esse plano
base. Assim, os valores de cota acima da cota base contribuem para o volume
de corte enquanto que os valores de cota abaixo da cota base contribuem para
o volume de aterro. Pode-se calcular também uma cota ideal para o plano
horizontal que igualaria os volumes de aterro e de corte. Esses cálculos são
muito úteis para objetivos de estudos da terraplanagem de uma área. A figura
a seguir mostra o perfil de um terreno e as regiões que contribuem para os
volumes de corte (+) e de aterro (-) segundo o plano base Z = Zb.
Introdução à Ciência da Geoinformação
7-34
Modelagem Numérica de Terreno
igura 7.27 - Perfil de um terreno ilustrando o volume de corte (+) e o volume
de aterro (-) em relação um plano horizontal Z = Zb
Essa mesma aplicação pode ser usada para fins de cálculo do volume de água
represado por uma barragem. O plano horizontal base e a região de interesse
são definidos pela altura de enchimento da barragem. Neste caso o volume de
água da barragem é igual ao volume de aterro calculado. Uma aplicação mais
completa de cálculo de volumes a partir do modelos digitais de terreno deve
incluir também o uso de planos bases não horizontais. Neste caso o usuário
poderia definir o plano base a partir do vetor normal ao plano. A figura
abaixo ilustra o uso de um plano não horizontal no cálculo dos volumes de
aterro e corte.
7.1.
+
-
+
-
+
-
X
Figura 7.28 - Perfil de um terreno ilustrando o volume de corte (+) e o
volume de aterro (-) em relação um plano não horizontal
Introdução à Ciência da Geoinformação
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Modelagem Numérica de Terreno
Introdução à Ciência da Geoinformação
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